مدل‌سازي ديناميكي و طراحي سيستم كنترل براي ربات اسكلت خارجي پايين‌تنه

Dynamic modeling and control system design for a lower extremity exoskeleton

ربات اسكلت خارجي ماشيني است داراي اعضاي مشابه بدن انسان و قابل پوشيدن كه به كمك عملگرهاي خود قدرت شخص را بسيار افزايش مي‌دهد. پژوهش پيش‌رو به مدل‌سازي ديناميكي و طراحي سيستم كنترل براي نوع پايين تنه اين رباتپرداخته است. در مقالات موجود حداكثر بخشي از ربات با يك درجه آزادي مدل‌سازي و كنترل شده است كه به خواننده ديد مناسبي از كنترل هم‌زمان تمام اجزاي ربات را نمي‌دهد. در اين راستا، ابتدا ساختار مناسب مشابه پروژه بليكس دانشگاه بركلي براي ربات انتخاب و معادلات ديناميك مربوطه به صورت صفحه‌اي و به روش نيوتن-اولر استخراج گرديد. طي آزمايشي، داده‌هاي سينماتيك راه رفتن به كمك سامانه اِكسنس اندازه‌گيري و ديناميك معكوس در نرم‌افزارسيم‌مكانيكسدر كنار مدل پياده شده در نرم‌افزار متلب شبيه‌سازي گرديد كه تطابق بالاي نتايج مويد صحت مدل بود.روش كنترل امپدانسبررسي ونكاتي اصلاحي در آن لحاظ شد كه عملكرد آن را كمي بهبود بخشيد. سپس رباتبا استفاده از اين الگوريتم كنترل گرديد. بدين ترتيب سيستم پايدار شده، حركت ربات با بهترين كيفيت از بدن تبعيت نمود. نتايج شبيه‌سازي نشان داد، حين حمل باري به بزرگي 50 كيلوگرم، گشتاورهايي كمتر از نيم نيوتن متر،در محل‌هاي تماس با ربات، به اعضاي بدن كاربر وارد مي‌شود.

Exoskeleton is a machine composed of a wearable anthropomorphic structure which noticeablymagnifies userʹs might via its actuators. In this research,dynamic modeling and control system design for a lower limb type of this robot were done. In the literature at most a 1 DOF part of the robot is modeled and controlled which doesnʹt give a good insight on how all of the robot parts are controlled simultaneously.First, a suitable structure was chosen similar to that of UC Berkeleyʹs BLEEX project. Then dynamic equations were derived in sagittal plane using the Newton-Euler method. By an experiment using Xsens system, gate kinematics data were measured and the inverse dynamics was simulated both in SimMechanics and on the model in MATLAB that proved accuracy of the derived model. Impedance control was investigated and some corrective remarks were includedin that algorithm. Using this method the robot was controlled. It stabilized the system and the robot followed userʹs movement exactly. While a load of 50 kilograms was carried, mostly moments of less than 1 (Nm) wereappliedat each interface among man and robot.